Issuu on Google+

10/06/50

Chapter 2

เนื้อหา : ไดโอดในอุดมคติ วัสดุกึ่งตัวนําวัสดุอินทรินซิก วัสดุเอ็กซทริ นซิก รอยตอพีเอ็น ไดโอดกึ่งตัวนํา ระดับความตานทานของไดโอด วงจรสมมูล ของไดโอด แผนแสดงคุณสมบัติของไดโอด ความจุไฟฟาชวงเปลี่ยนและความจุ ไฟฟาแพรซึม เวลาฟนตัวยอนกลับ สัญลักษณของไดโอด การทดสอบไดโอด ไดโอดแบบตางๆ การผลิตอุปกรณกึ่งตัวนํา

Semiconductor Diodes Semiconductor Di d

1

ไดโอดในอุดมคติ (Ideal Diode)

Semiconductor Di d

2

คุณสมบัติไดโอด

Condcution region Non-conduแtion region

Diode เปน Two Terminal Device ประกอบดวย 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode, A) และ คาโทด (Cathode, K)

กราฟคุณสมบัติ V-I

บริเวณนํากระแส (Conduction Region) สัญญลักษณ ไดโอดในอุดมคติ Diode จะนํากระแส (ON) เมื่อมีการ ไบแอสเดินหนา(Forward Bias) และจะไมนํากระแส (OFF) เมื่อมีการไบแอสยอนกลับ (Reverse Bias) Semiconductor Di d

บริเวณนําไมกระแส (Nonconduction Region)

3

Semiconductor Di d

4

วัสดุกึ่งตัวนํา (SEMICONDUCTOR MATERIALS)

คุณสมบัติไดโอด เมื่อ ON และ OFF

ความหมายของวัสดุกึ่งตัวนํา (Semiconductor Materials) กึ่ง (semi-)

= ครึ่งหนึ่งหรือกึ่งกลาง

ตัวนํา (conductor)= วัสดุทยี่ อมใหกระแสไฟฟาไหลผานไปได ฉนวน (Insulator) = วัสดุทไี่ มยอมใหกระแสไฟฟาไหลผาน

วัสดุกึ่งตัวนํา (Semiconductor) = วัสดุที่มี สภาพนําไฟฟา (Conductivity) อยูก้ํากึ่งระหวางฉนวนและตัวนํา

Semiconductor Di d

5

Semiconductor Di d

6


10/06/50

สภาพตานทาน (Resistivity)

ตารางแสดงคาสภาพตานทานของวัสดุ

ρ (rho) : ระดับความตานทานของวัสดุ มีหนวยเปน Ω-cm

คาสภาพตานทานของวัสดุใดๆ

ทองแดง (Copper) : ตัวนํา คาสภาพตานทาน 10-6 Ω-cm ไมกา (Mica) : ฉนวน คาสภาพตานทาน 1012 Ω-cm เยอรมันเนียม (Germanium, Ge) : กึ่งตัวนํา คาสภาพตานทาน 50 Ω-cm และซิลิกอน Silicon (Si) : กึ่งตัวนํา คาสภาพตานทาน 50x103 Ω-cm

วัสดุขนาด กวาง 1 cm2 ยาว 1 cm จะมีความตานทาน

Semiconductor Di d

7

Semiconductor Di d

8

เยอรมันเนียมและซิลิกอนจะมีลักษณะโครงสรางแบบผลึก (Crytal)

โครงสรางของอะตอมของวัสดุกึ่งตัวนํา อะตอมพื้นฐานประกอบดวย อิเล็กตรอน (Electron) โปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron)

โดยที่นิวตรอนและโปรตรอนจะอยูที่นิวเคลียส อะตอมเยอรมันเนียมจะมี 32 ออบิตอิเล็กตรอน (Orbit Electron) และมี 4 Valence Electron เรียกวา เตตระวาเลนซ (Tetravalent)

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยูร อบๆ นิวเคลียส โดยมีวงโคจร (Orbit) ที่แนนอน

อะตอมซิลิกอนมี 14 ออบิตอิเล็กตรอน ) และมี 4 Valence Electron เชนเดียวกัน Semiconductor Di d

9

ผลึก Ge และ Si บริสุทธินั้น วาเลนซอิเล็กตรอนจะมีพันธะ (bond) รวมกับอะตอมที่อยูขางๆ เรียกวา พันธะโควาเลนต (Covalent Bonding)

Semiconductor Di d

10

วัสดุอิอนิ ทรินซิก (Intrinsic Material) วัสดุกึ่งตัวนําที่มีการผลิตออกมาอยางพิถีพิถันใหมีความบริสุทธิส์ ูงที่สดุ เพื่อลดสารเจือปน (Impurities) ใหมีนอยทีส่ ุดหรือไมมีเลย

พาหะอินทรินซิก (Intrinsic Carriers) อิเล็กตรอนอิสระซึ่งทําใหวัสดุสามารถนําไฟฟาได โดยที่ Ge มี Free Electron 2.5 X 1013 อิเล็กตรอนตอลูกบาศกเซ็นติเมตร Si มี Free Electron 1010 อิเล็กตรอนตอลูกบาศกเซ็นติเมตร * นั่นคือ ปกติ Ge จะนํากระแสดีกวา Si เล็กนอย Semiconductor Di d

11

Semiconductor Di d

12


10/06/50

วัสดุเอ็ เอ็กซทรินซิก (EXTRINSIC MATERIALS)

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเปนลบ Negative Temperature Coefficient

จะเปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธิมาทําการ โดป (Dope) ใหมสี ารเจือ ปนที่เหมาะสมผสมอยู ทําใหกลายเปนสารที่ไมบริสุทธิ

การเพิ่มอุณหภูมิวัสดุกึ่งตัวนํา Ge และ Si จะเพิ่มอิเล็กตรอนอิสระ ทําใหคา ความตานทานลดลง วัสดุโดยทั่วไป เมื่อเพิ่มอุณหภูมจิ ะทําใหความตานทานเพิ่ม เปน Positive Temperature Coefficient

การโดป (Doping) การเจือ สารเจือปน ในปริมาณที่แนนอน (อาจจะเปน 1 ใน 10 ลาน สวน) เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุกึ่งตัวนํา วัสดุวัสดุเอ็กซทรินซิก แบงเปน 2 ประเภท (Type) คือ วัสดุประเภท n (n-type) วัสดุประเภท p (p-type)

Semiconductor Di d

13

Semiconductor Di d

14

วัสดุประเภท n (n-type Material)

วัสดุประเภท p (p-type Material)

เปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธ มาใสสารเจือปนทีม่ ี 5 วาเลนซอิเล็กตรอน Pentavalent เชน antimony(Sb), arsenic (As), และ phosphorus (P)

เปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธ มาใสสารเจือปนทีม่ ี 3 วาเลนซอิเล็กตรอน Pentavalent เชน Boron (B), Gallium (Ga), และ Indium (In)

ในรูป Sb ถูกเรียกวา อะตอม

ในรูป B ถูกเรียกวา อะตอม

Semiconductor Di d

ผูให (Donor Atoms)

ผูรับ (Acceptor Atoms)

เนื่องจากทําใหเกิด อิเล็กตรอนอิสระที่สามารถหลุด ออกไปได

เนื่องจากทําใหเกิดชองวาง (hole) ขึ้นมา

15

การไหลของอิเล็กตรอนและการไหลของชองวาง (Electron versus Hole Flow) เมื่ออะตอมมีพลังงานจลนที่มากพอ จะทําใหอิเล็กตรอนหลุดออกไป เกิดชองวาง ขึ้น อิเล็กตรอนตัวอื่นก็จะเขามาแทนที่

Semiconductor Di d

16

พาหะสวนใหญและพาหะสวนนอย (Majority and Minority Carriers) วัสดุกึ่งตัวนําประเภท n

วัสดุกึ่งตัวนําประเภท p

อิเล็กตรอน เปน พาหะสวนใหญ ชองวาง เปน พาหะสวนนอย

ชองวาง เปน พาหะสวนใหญ อิเล็กตรอน เปน พาหะสวนนอย

ปรากฏการณ ดังกลาวทําใหเปนการ ไหลของอิเล็กตรอน หรือ ชองวางในทิศทางตรงกัน ขามกัน Semiconductor Di d

17

Semiconductor Di d

18


10/06/50

รอยตอพีเอ็น (pn Junction)

ไดโอดกึ่งตัวนํา (SEMICONDUCTOR DIODE)

เมื่อวัสดุกึ่งตัวนําประเภท p และ n ถูกนํามาเชื่อมตอ เขาดวยกันจะเกิด รอยตอพีเอ็น (pn Junction)

การไบแอสยอนกลับ (Reverse-Bias)

p-type จะมีชองวางที่เคลื่อนที่ได + และอิเล็กตรอนที่ไมเคลื่อนที่ n-type จะมีอิเล็กตรอนทีเ่ คลื่อนที่ได - และมีชองวางที่ไมเคลื่อนที่

พื้นที่บริเวณ รอยตอ เรียกวา

Depletion Region กวาง ตานการไหล ของกระแส

บริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) ซึ่งไมนํากระแส Semiconductor Di d

19

Semiconductor Di d

20

ลักษณะสมบัติ ของไดโอด กึ่งตัวนํา แบบซิลิกอน

การไบแอสเดินหนา (Forward-Bias Condition) (VD>0 V)

Depletion Region แคบ กระแสไหลได ดีขึ้น Semiconductor Di d

21

Semiconductor Di d

22

แรงดันเทรสโฮลด (Threshold Voltage, VT)

ลักษณะสมบัติทั่วไปของไดโอดกึ่งตัวนํา สามารถเขียนอยูในรูปสมการ

แรงดันเทรสโฮลด เปนแรงดันไบแอสเดินหนา ที่ทําใหไดโอดนํากระแส หรือ VT สําหรับ Si = 0.7 V VT สําหรับ Ge = 0.3 V

โดยที่ IS = reverse saturation current TK = Tc + 273oC k = 11,600/η เมื่อ TC เปนคาอุณหภูมิที่เปนเซลเซียส (Celcius),

η (eta)= 1 สําหรับ Ge η = 2 สําหรับ Si ที่กระแสนอยๆ และ η = 1 สําหรับ Si ที่กระแสมากๆ Semiconductor Di d

23

Semiconductor Di d

24


10/06/50

บริเวณซีเนอร (Zenor Region)

การเปรียบเทียบคุณสมบัติวัสดุกึ่งตัวนํา Silicon และ Germanium

แรงดันยอนกลับ ที่ทําใหเกิดการเบรกดาวน (breakdown) ขึ้น เรียกวา ศักยไฟฟาซีเนอร (Zener Potential, Vz)

Silicon Diode การเพิ่มระดับการ โดป (Doping) จะทําใหแรงดัน Vz ลดลง

+ High PIV (1000 V) and high current rating + Wide temperature ranges (about 200 oC) + High Threshold Voltage (0.7V)

Germanium Diode + Low PIV (400V) + Low temperature range (100 oC) + Low Threshold Voltage (0.3 V) Semiconductor Di d

25

ผลกระทบจากอุณหภูมิ (Temperature Effects)

Semiconductor Di d

26

ระดับความตานทาน (RESISTANCE LEVELS) ไดโอดเปรียบเสมือนเปนความตานทานที่แปลตาม แรงดันไบแอส การวัดคาความตานทาน ที่จุดทํางาน (Operating Point) จําแนกออกไดเปน 3 แบบ คือ ความตานทานดีซี (DC Resistance) ความตานทานเอซี (AC Resistance) ความตานทานเอซีเฉลี่ย (Average AC Resistance)

Semiconductor Di d

27

Semiconductor Di d

28

ความตานทานเอซี (AC Resistance) หรือความตานทานพลวัต (Dynamic Resistance)

ความตานทานดีซี (DC Resistance) หรือความตานทานสถิต (Static Resistance)

RD = VD/ID

Semiconductor Di d

29

Semiconductor Di d

30


10/06/50

การวิเคราะหหาคาความตานทานเอซีดวยวิธีการทางคณิตศาสตร

จาก η = 1 ของ Ge และ Si สําหรับชวงกราฟที่มีความลาดชันสูง

สมการกราฟคุณสมบัตไิ ดโอด ความชันคืออนุพันธของกราฟ ที่อุณหภูมิหอง TK และ

= Tc + 273O = 25O + 273O = 298O

ดังนั้น k/TK

เมื่อ ID >> IS ดังนั้น

Semiconductor Di d

31

= 11,600/298 ≅ 38.93

Semiconductor Di d

จาก

32

ความตานทานเอซีเฉลี่ย (Average ac Resistance) dID dVD

= 38.93 ID

จากคาความตานทาน R = V/I ดังนั้น dVD dID

Rav 0.026 ID

= ∆Vd ∆ Id

หรือ

rd

= 26 mV

ID

; สําหรับ Ge,Si ในชวง slope คาสูง

Semiconductor Di d

33

Semiconductor Di d

34

ตารางสรุปความตานทานแบบตางๆ (Summary Table)

วงจรสมมูลของไดโอด (DIODE EQUIVALENT CIRCUITS) วงจรสมมูล (Equivalent Circuit) คือ การนําองคประกอบตางๆ ที่ไดเลือกสรร อยางเหมาะสมมาประกอบกันเพื่อใชแทนคุณลักษณะของอุปกรณจริง เพื่อใหงายตอการ วิเคราะห วงจรสมมูลของไดโอด แยกออกไดเปน 3 แบบ คือ

วงจรสมมูลของไดโอดแบบอุดมคติ (Ideal Equivalent Circuit) วงจรสมมูลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit) วงจรเชิงเสนสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit)

Semiconductor Di d

35

Semiconductor Di d

36


10/06/50

วงจรสมมูลของไดโอดแบบอุดมคติ

วงจรสมมูลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit)

เปนแบบที่วิเคราะหวงจรงายที่สุด แตตางจากความจริงในทางปฏิบัติมาก สุด มีการใชในการวิเคราะหวงจรมากที่สุด

Semiconductor Di d

37

วงจรสมมูลแบบเสนตรงสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit) มีคุณลักษณะทีใ่ กลเคียงคุณลักษณะจริงของไดโอดมากที่สุด

Semiconductor Di d

ความใกลเคียงวงจรไดโอดจริงกวาแบบ Ideal

Semiconductor Di d

38

แผนแสดงคุณสมบัติของไดโอด (DIODE SPECIFICATION SHEETS) คุณสมบัตไิ ดโอดที่สําคัญ : 1. แรงดันเดินหนา (forward voltage, VF) 2. กระแสเดินหนาสูงสุด (maximum forward current, IF) 3. กระแสอิ่มตัวยอนกลับ (reverse saturation currentม IR) 4. อัตราแรงดันยอนกลับ (reverse-voltage rating) PIV or PRV) หรือ Breakdown Voltage, V(BR) 5. ระดับการสูญเสียพลังงานเปนความรอนสูงสุด (maximum power dissipation level) 6. ระดับความจุไฟฟา (Capacitance level) 7. เวลาฟนตัวยอนกลับ (Reverse recovery time, trr) 8. ชวงอุณหภูมิใชงาน (Operating temperature range)

39

Semiconductor Di d

40

ความจุไฟฟาชวงเปลี่ยนและความจุไฟฟาแพรซึม (TRANSITION AND DIFFUSION CAPACITANCE)

วงจรสมมูล

Semiconductor Di d

41

Semiconductor Di d

42


10/06/50

เวลาฟนตัวยอนกลับ (REVERSE RECOVERY TIME)

สัญลักษณของไดโอด

Trr = tS + tt

Semiconductor Di d

43

44

การทดสอบไดโอด ( DIODE TESTING)

ลักษณะไดโอด

Semiconductor Di d

Semiconductor Di d

45

Semiconductor Di d

46

ไดโอดแบบอื่นๆ

วงจรสมมูลของซีเนอรไดโอด

ซีเนอรไดโอด (ZENER DIODES)

ซีเนอรไดโอดจะมีคณ ุ สมบัติทุกอยางเหมือนไดโอดปกติ นั่นคือ จะนํากระแสเมื่อมีการไบแอสเดินหนา แตในกรณีปอนแรงดันยอนกลับ ซี เนอรไดโอดจะกลับมานํากระแสอีก เมื่อแรงดันยอนกลับถึง VZ

เปนการใชประโยชนของการ มี Zenor Region โดยมีการควบคุม ปริมาณของสารเจือปน (Impurity) ทําใหสามารถ กําหนดจุดตําแหนงเบรค ดาวน ของไดโอดเมื่อมีการ ปอนแรงดันยอนกลับไดตาม ตองการ

(a) สัญลักษณ (b) วงจรสมมูลแบบเชิง เสนสวนยอย (Piecewise Linearity) (c) วงจรสมมูลแบบ ประมาณ (Approximate). (a)

Semiconductor Di d

47

Semiconductor Di d

(b)

(c) 48


10/06/50

สัญลักษณ โครงสรางและการกําหนดขั้วซีเนอรไดโอด

ไดโอดเปลงแสง (LIGHT-EMITTING DIODES, LED) เมื่อมีการไบแอสเดินหนา ที่รอยตอ p-n จะมีการรวมกันของชองวาง (holes) และอิเล็กตรอน (electrons) ทําใหเกิดการปลดปลอยพลังงานออกมา ไดโอด ปกติ (Si,Ge) : จะปลอยพลังงานออกมาในรูปของความรอน LED กัลเลี่ยมอาเซไนดฟอสไฟด (Gallium Arsenide Phosphide, GaAsP) หรือ กัลเลี่ยมฟอสไฟด (Gallium Phosphide, GaP) : จะปลอยโฟ ตอน (Photons) ออกมา ทําใหเห็นเปนแสงสวางขึ้น กระบวนการที่ทําใหมีการเปลงแสงออกมา จากการใสพลังงานไฟฟาเขาไป เรียกวา การเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence)

Semiconductor Di d

49

Semiconductor Di d

50

ลักษณะสมบัติของไดโอดเปลงแสง

กระบวนการเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence) และสัญญลักษณ LED

พิกัดอัตราสูงสุดในการใชงาน

หมายเหตุ เนื่องจาก LED ไมไดผลิตจาก Silicon ดังนั้น VT (VF)จึงไมใช 0.7 V แต เปน ประมาณ 2 V

Semiconductor Di d

51

คุณสมบัติ ทางไฟฟา และแสง

Semiconductor Di d

Semiconductor Di d

52

ความเขมของแสงที่ความยาวคลื่นตางๆของ LED ตางชนิดกัน

53

Semiconductor Di d

54


10/06/50

การผลิตอุปกรณกึ่งตัวนํา (Semiconductor (Semiconductor Device) การทําใหวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธิ

7 เซ็กเมนต (Seven Segment Display)

วัสดุที่จะมาทํา อุปกรณกึ่งตัวนําตองมีความบริสุทธิ โดยมีสารเจือปน นอยกวา 1 ใน พันลาน (one billion,1 in 1,000,000,000)

กระบวนการทําใหบริสุทธิเ์ ปนสวน (Zone-refining Process) Semiconductor Di d

55

การสรางรอยตอ pp-n การหลอมผสม (Alloy)

วางแทงวัสดุประเภท p ลงบนแทงวัสดุ ประเภท n แลวใหความรอน

Semiconductor Di d

การปลูกรอยตอ (Grown Junction)

56

จุมของแข็งที่เปนสารกึง่ ตัวนํา ประเภท p ลงไปในกึ่งตัวนํา ประเภท n ที่หลอมเหลว ไดรอยตอ p-n ที่มีขนาด กวาง สามารถตัดแบงออกเปนไดโอด ไดจํานวนมาก ถาพื้นที่หนาตัดกวาง IDmax จะสูง แตการตอบสนองความถี่ จะต่ํา

ขอดี Idmax สูงมาก แรงดันผันกลับคายอด (PIV) ทีส่ ูงมาก ขอเสีย พืน้ ที่ของรอยตอที่กวาง ทําให Junction Capacitance สูง สงผลตอ การใชงานความถี่สูงไดไมดี Semiconductor Di d

ถาพื้นที่หนาตัดแคบ IDmax จะต่ํา แตการตอบสนองความถี่ จะสูง 57

การแพรซึม (Diffusion)

ทาสารละลาย indium ลงบน ntype แลวใหความรอน จะทําให n-type บริเวณนั้น กลายเปน p-type

มีคาใชจายที่ถูกและ ควบคุมคุณสมบัตไิ ด แมนยํา

(a) Solid diffusion)

Semiconductor Di d

(b) Gaseous Diffusion

59

Semiconductor Di d

58

แบบหนาสัมผัสจุด (Point Contact) ใชลวด Phosphorbronze เสน เล็กๆ แตะไปที่ ฐานรองประเภท n (n-type substrate) จากนั้นผานกระแสสูงๆใน ชวงเวลาสั้นๆความรอนที่ หนาสัมผัส ทําใหมีการหลอมรวม เปนชั้นของ p-type ขึ้นมา

Semiconductor Di d

60


10/06/50

Semiconductor Di d

61


Be02 diode